張　京　郝花麗　惠月紅　白文豪　徐　濤　西安石油大學(xué)電子工程學(xué)院　陜西西安　710065

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基于MSP-EXP430的鉆柱振動(dòng)信號(hào)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張京郝花麗惠月紅白文豪徐濤西安石油大學(xué)電子工程學(xué)院陜西西安710065

【文章摘要】

針對(duì)鉆柱振動(dòng)易于影響鉆具使用壽命的問(wèn)題，以鉆柱振動(dòng)信號(hào)為研究對(duì)象，基于MSP-EXP430 單片機(jī)，結(jié)合信號(hào)處理技術(shù)，采用壓電式加速度傳感器采集鉆柱的三維振動(dòng)信號(hào)，利用RS232或ZigBee技術(shù)完成傳輸數(shù)據(jù)，以Labview2010軟件平臺(tái)構(gòu)建系統(tǒng)的監(jiān)控和分析軟件，最終實(shí)現(xiàn)鉆具振動(dòng)信號(hào)的地面實(shí)時(shí)采集、分析、處理、顯示及故障診斷。本項(xiàng)目的開(kāi)展將實(shí)時(shí)提取鉆柱振動(dòng)信息，為認(rèn)知所鉆地層的井下工況和巖性分析，為優(yōu)化鉆頭設(shè)計(jì)和井下鉆具組合結(jié)構(gòu)、優(yōu)化鉆井參數(shù)，防止鉆具事故及由振動(dòng)引起的鉆井異?，F(xiàn)象的發(fā)生提供重要的技術(shù)支撐。

【關(guān)鍵詞】

MSP-EXP430；鉆柱振動(dòng)；信號(hào)采集

0　引言

鉆柱振動(dòng)是鉆井過(guò)程中常見(jiàn)的物理現(xiàn)象，攜有非常豐富的井下鉆具信息。長(zhǎng)期的鉆井實(shí)踐與研究表明，鉆柱的高幅振動(dòng)、跳鉆、大幅度的粘滑扭轉(zhuǎn)振動(dòng)對(duì)鉆井過(guò)程極具破壞作用，是鉆具損壞的主要原因，不僅會(huì)影響鉆井速度，還易使鉆柱疲勞破壞，誘發(fā)鉆井事故，大大增加了鉆井成本和風(fēng)險(xiǎn)。因此，研究鉆具振動(dòng)對(duì)預(yù)測(cè)鉆具故障狀態(tài)、提高鉆井速度，降低鉆井風(fēng)險(xiǎn)有著十分重要的意義。

圖1　鉆柱振動(dòng)信息采集器原理框圖

圖2　鉆柱振動(dòng)信息采集軟件框圖

針對(duì)鉆柱振動(dòng)可能給鉆井和鉆柱帶來(lái)的損害問(wèn)題，F(xiàn)innie、Bailey和Garrett W RBesausion等人圍繞著鉆柱振動(dòng)問(wèn)題開(kāi)展了大量的理論研究。Lutz等人在井口接頭放置儀表化的傳動(dòng)鉆桿上測(cè)量振動(dòng)，并采用滑環(huán)傳送監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。中國(guó)石油大學(xué)（北京）高巖副教授、郭學(xué)增教授在鉆具振動(dòng)檢測(cè)與分析方面開(kāi)展了頗有成效的研究，總結(jié)出了三牙輪鉆頭的工作特征，即三牙輪鉆頭條件下鉆柱縱向振動(dòng)的規(guī)律和波譜特征，把振動(dòng)信號(hào)按分析頻率分為低頻段、中頻段和高頻段。此外國(guó)內(nèi)的中國(guó)石油大學(xué)大慶石油學(xué)院等單位也進(jìn)行了大量的鉆柱振動(dòng)力學(xué)方面的研究，也取得了一些認(rèn)識(shí)與進(jìn)展。截止目前對(duì)于鉆柱系統(tǒng)簡(jiǎn)單的直井鉆柱的振動(dòng)理論的分析基本成熟，形成了差分法、有限元法、有線形分析方法和縱橫彎曲法等方法。但作為重要鉆井參數(shù)的振動(dòng)信號(hào)，在國(guó)內(nèi)一直沒(méi)有得到有效利用，僅限于理論性的研究和室內(nèi)的實(shí)驗(yàn)，特別是國(guó)內(nèi)在鉆柱振動(dòng)測(cè)量手段上遠(yuǎn)落后于西方國(guó)家；目前國(guó)內(nèi)還未見(jiàn)到來(lái)自現(xiàn)場(chǎng)的試驗(yàn)報(bào)告，尚未有成熟的鉆井振動(dòng)信號(hào)采集、信號(hào)分析與鉆井故障診斷系統(tǒng)。

本文將以鉆柱振動(dòng)為研究對(duì)象，以MSPEXP430 單片機(jī)作為核心控制器，結(jié)合信號(hào)處理技術(shù)，采用壓電式加速度傳感器采集鉆柱的三維振動(dòng)信號(hào)，利用RS232或ZigBee技術(shù)完成傳輸數(shù)據(jù)，以Labview2010軟件平臺(tái)構(gòu)建系統(tǒng)的監(jiān)控和分析軟件，最終實(shí)現(xiàn)鉆具振動(dòng)信號(hào)的地面實(shí)時(shí)采集、分析、處理、顯示及故障診斷。

1　鉆柱振動(dòng)信號(hào)采集系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

鉆柱振動(dòng)信號(hào)采集系統(tǒng)由：MSPEXP430處理器、振動(dòng)傳感器、前置放大器、濾波器、通信模塊和電源模塊構(gòu)成。圖1給出了鉆柱振動(dòng)信息采集器原理框圖，

1.1主控制器

本系統(tǒng)采用MSP-EXP430G2553作為核心控制器，該控制器是一款超低功耗的單片機(jī)，具有5中節(jié)電模式，內(nèi)置12位A/D；供電電壓1.8V~3.6V；為了提高采集精度，本系統(tǒng)采用了外部擴(kuò)展的16位AD，滿足采集振動(dòng)信號(hào)的要求。

1.2振動(dòng)傳感器

振動(dòng)傳感器是監(jiān)測(cè)鉆柱振動(dòng)的重要環(huán)節(jié)，由于在鉆井過(guò)程中，鉆柱時(shí)刻處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，這就要求加速度計(jì)具有良好的中頻和高頻率特性。本文選擇朗斯公司的LC1002振動(dòng)傳感器，量程范圍±20 g；靈敏度250 mv/g；頻率范圍0~20000 Hz；溫度范圍-40~125 ℃。

1.3放大器

由于振動(dòng)信號(hào)比較微弱，因此本文采用可調(diào)增益的放大器，確保采集的信號(hào)滿足AD的量程需求。

1.4濾波器

當(dāng)處于不同的鉆進(jìn)過(guò)程中時(shí)，鉆柱的振動(dòng)特性有所不同，因此，本設(shè)計(jì)根據(jù)不同的鉆井狀態(tài)，選擇不同的中心頻率的濾波器，確保了采集精度。

2　鉆柱振動(dòng)信號(hào)采集系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

鉆柱振動(dòng)信號(hào)采集系統(tǒng)軟件包括了MSPEXP430G2的軟件和計(jì)算機(jī)上的分析軟件。其中，MSPE-XP430G2的軟件部分完成單片機(jī)的初始化、數(shù)據(jù)采集、AD 轉(zhuǎn)換、FLASH 讀寫、通信等功能；計(jì)算機(jī)上的分析軟件是基于Labview的回放分析軟件，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的回放、譜分析，振動(dòng)的信息提取等。其功能主要包括：串口通信、用戶登陸、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和歷史數(shù)據(jù)讀取。由于LabVIEW是基于模塊化程序設(shè)計(jì)思想，因此在程序開(kāi)發(fā)過(guò)程中也遵循著這一基本的思想，在總體方案確定后，根據(jù)所需的不同功能分別組建各種功能模塊，最后再進(jìn)行集成和調(diào)試。單片機(jī)與PC機(jī)間的通信采用ZigBee協(xié)議進(jìn)行無(wú)線傳輸。

圖3　鉆柱振動(dòng)信息采集系統(tǒng)實(shí)物

3　結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)鉆柱振動(dòng)易于影響鉆具使用壽命的問(wèn)題，以鉆柱振動(dòng)信號(hào)為研究對(duì)象，基于MSPEXP430 單片機(jī)設(shè)計(jì)了一套鉆柱振動(dòng)信號(hào)采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了鉆柱振動(dòng)信號(hào)的地面實(shí)時(shí)采集、分析、處理、顯示及故障診斷等功能。為認(rèn)知所鉆地層的井下工況和巖性分析，為優(yōu)化鉆頭設(shè)計(jì)和井下鉆具組合結(jié)構(gòu)、優(yōu)化鉆井參數(shù)，防止鉆具事故及由振動(dòng)引起的鉆井異常現(xiàn)象的發(fā)生提供重要的技術(shù)支撐。

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基金項(xiàng)目：國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目資助（編號(hào)：201410705032）